基于馬赫_曾德爾干涉儀的可調(diào)諧摻鐿光纖激光器

1、基于馬赫-曾德爾干涉儀的可調(diào)諧摻鐿光纖激光器摘要：通過使用一個(gè)由兩個(gè)3dB光纖耦合器構(gòu)成的光纖馬赫-曾德干涉儀作為內(nèi)腔濾波器，展示了一個(gè)調(diào)諧范圍超過20 nm的可調(diào)諧摻Y(jié)b環(huán)形腔全光纖激光器。在下文中將會(huì)詳細(xì)敘述制作馬赫-曾德光纖干涉儀的技術(shù)。光纖激光器在1050 nm1071 nm的頻率范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的mW量級(jí)的輸出功率，頻帶抑制率超過45dB，而且?guī)捫∮?.1 nm。關(guān)鍵詞：可調(diào)諧光纖激光器；環(huán)形腔光纖激光器；摻鐿光纖；馬赫-曾德干涉儀連續(xù)波（CW）和脈沖高功率光纖激光器在近幾年取得了很大的進(jìn)展。在所有的高功率光纖激光器中，摻Y(jié)b光纖激光器因?yàn)樗鼈冚^高功率量級(jí)和效率而尤為重要。這些光纖激

2、光器可以用作次級(jí)激光的基本泵浦源來完成諧波或參數(shù)轉(zhuǎn)換。這主要是考慮到高光線質(zhì)量與光纖激光器有聯(lián)系。光纖激光器可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)合理范圍內(nèi)的較寬的可調(diào)諧性，例如，摻Er光纖激光器波長(zhǎng)范圍有100 nm，但卻被限制在一個(gè)小的范圍內(nèi)。和光纖激光器相比，光學(xué)參量振蕩器（OPO）是一種可以在紅外光譜區(qū)提供更寬的調(diào)諧范圍的可調(diào)諧激光器。一般的，OPO的波長(zhǎng)調(diào)諧可以通過調(diào)整所包含的非線性晶體的相位匹配角度或一些周期區(qū)域反向非線性光學(xué)晶體的光柵周期譬如PPLN和PPMgLN。如果泵浦激光器（可以是固體激光器或光纖激光器）調(diào)諧范圍很寬，那么OPO的輸出可以很快速的進(jìn)行調(diào)諧。因此，一個(gè)由主震蕩功率放大器（MOPA）構(gòu)成

3、的可調(diào)諧摻Y(jié)b光纖激光器泵浦的OPO將會(huì)有敏捷的寬的可調(diào)諧性。參考以前可調(diào)諧波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器可以通過多種方法實(shí)現(xiàn)的工作，包括光纖法布里-伯羅（FFP）調(diào)諧濾波器，寬范圍內(nèi)可調(diào)諧布拉格光纖光柵和多層薄膜干涉帶通濾波器的應(yīng)用。這些應(yīng)用于摻鉺光纖激光器系統(tǒng)的光柵或?yàn)V波器在市場(chǎng)上可以買到而且通常成本低廉。例如，工作在1550 nm帶寬的FFP可調(diào)諧濾波器擁有超過100 nm的自由光譜范圍，因此制作一個(gè)摻 Er光纖激光器會(huì)很容易的覆蓋一個(gè)款的調(diào)諧范圍。與上面所提到的技術(shù)相比，一個(gè)工作在1 m帶寬的摻Y(jié)b光纖激光器的調(diào)諧方法實(shí)因?yàn)樵?m波長(zhǎng)范圍附近的內(nèi)腔濾波器的限制而施起來很困難。工作在1m的FFP濾波

4、器比那些工作在1.5m的濾波器昂貴很多，而且僅具有一個(gè)很窄的調(diào)諧范圍。盡管曾經(jīng)報(bào)道過一個(gè)用聲光濾波器作為可調(diào)諧濾波器的外腔波長(zhǎng)可調(diào)諧摻Y(jié)b光纖激光器，但是它包含大體積的光學(xué)組件并且使用起來太復(fù)雜。另外，由可調(diào)諧布拉格光纖光柵（FBG）構(gòu)成的摻Y(jié)b光纖激光器覆蓋了很寬的45 nm可調(diào)諧范圍，展示了很好的表現(xiàn)。然而它的長(zhǎng)期可持續(xù)性需要進(jìn)一步的測(cè)試因?yàn)閷?duì)布拉格光纖光柵應(yīng)用高應(yīng)力很可能會(huì)損壞布拉格光纖光柵。本文展示了最近在由馬赫-曾德干涉儀作為內(nèi)腔濾波器構(gòu)成的持續(xù)可調(diào)諧摻Y(jié)b光纖激光器發(fā)展方面的工作。馬赫-曾德干涉儀作為可調(diào)諧成分起決定激光器振蕩波長(zhǎng)的作用。這種全光纖激光器僅由幾件普通的光學(xué)器件組成而

5、且很容易構(gòu)造。它為發(fā)展一種由二極管激光器泵浦的低成本高效率的可調(diào)諧光纖激光器提供了可能性，這種激光器具有高調(diào)諧率，中等功率，并且在1m附近具有窄線寬。這種激光器具有較廣的可調(diào)諧性，可以作為高功率摻Y(jié)b光纖放大器的種源。它可能會(huì)適合于全光纖調(diào)Q環(huán)形激光系統(tǒng)，而這種激光系統(tǒng)對(duì)測(cè)距，剛度測(cè)量和激光定位器比較有吸引力。光纖激光器在1050 nm1071 nm的頻率范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的mW量級(jí)的輸出功率，頻帶抑制率超過45dB，而且?guī)捫∮?.1 nm。另外它可以作為有主震蕩功率放大器（MOPA）結(jié)構(gòu)的包層泵浦高功率摻Y(jié)b光纖放大器的小的種源來達(dá)到廣的調(diào)諧性。摻Y(jié)b光纖980nm LDWDM耦合器隔離器L1

6、50%50%L250%50%PC輸出耦合器馬赫-曾德干涉儀10%輸出圖1 基于馬赫-曾德干涉儀的環(huán)形摻Y(jié)b光纖激光器原理圖環(huán)形可調(diào)諧光纖激光器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。激光共振器由一片長(zhǎng)度1m的摻Y(jié)b光纖和用兩個(gè)中心波長(zhǎng)在1064nm的3dB光耦合器簡(jiǎn)單構(gòu)成的馬赫-曾德干涉儀組成。摻Y(jié)b光纖充當(dāng)增益介質(zhì)在包層直徑為4m和25m分別具有在波長(zhǎng)976nm吸收系數(shù)45dB/m。工作在976nm最大輸出功率為100mW的帶尾纖的激光二極管疊加到環(huán)形腔而泵浦源通過一個(gè)980/1060nm波分多路復(fù)用（WDM）耦合器。環(huán)形腔中包含一個(gè)光頻隔離器來確保激光單向波長(zhǎng)運(yùn)行。一個(gè)光纖偏振控制器應(yīng)用于腔內(nèi)來彌補(bǔ)諧振器元素的

7、殘余雙折射。激光發(fā)射輸出提取自中心波長(zhǎng)在1064nm的10:90輸出耦合器。激光輸出頻譜通過一個(gè)光學(xué)頻譜分析儀（OSA，AQ6317C，from Ando）檢測(cè)并測(cè)量。環(huán)形光纖激光器中包含光纖馬赫-曾德干涉儀對(duì)于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的寬的可調(diào)諧性是必不可少的。馬赫-曾德干涉儀在環(huán)形光纖激光器中的特性曾在其應(yīng)用于摻Er光纖激光器輸出多波長(zhǎng)激光的實(shí)驗(yàn)中研究過。通常，兩個(gè)干涉儀的路徑長(zhǎng)度是不同的，如圖1所示。光束在通過兩個(gè)馬赫-曾德干涉儀時(shí)的相位差如下式，=0L1-L2=0L (1)0是光在光纖中的傳播常數(shù)，L=L1-L2是在兩個(gè)干涉儀中的光程差。對(duì)于我們實(shí)驗(yàn)中所采用的3dB的耦合器，假定光在光纖輸入口被均等的

8、分進(jìn)兩個(gè)臂內(nèi)，在干涉儀的輸出口重組。因此，如果我們忽略耦合損耗，干涉儀的傳送可以簡(jiǎn)單的寫為，T=1-cos2 (2)因?yàn)榕c有聯(lián)系，可以得到由兩個(gè)3dB的耦合器構(gòu)成的光纖馬赫-曾德干涉儀的透射譜的特點(diǎn)是一系列在頻域等距的傳輸峰值而且取決于L。波長(zhǎng)間隔，即相鄰?fù)干浞逯g，=2nL (3)N是激光模式的有效折射率，是在自由空間中的激光波長(zhǎng)。相鄰?fù)干浞逯g的間隔規(guī)定了干涉儀的調(diào)諧范圍。當(dāng)干涉儀被配置于環(huán)形光纖激光器，激光輸出波長(zhǎng)與透射峰位置一致。通過實(shí)現(xiàn)調(diào)整干涉儀的路徑差，然后輕微的伸展干涉儀的短臂減小兩個(gè)干涉儀之間的路徑差L來實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。在兩個(gè)干涉儀路徑差一定的情況下，可以保證激光穩(wěn)定震蕩在一個(gè)特定的

9、波長(zhǎng)。為了使光纖激光器調(diào)諧范圍最大化，詳細(xì)說明馬赫-曾德干涉儀的特性很重要，因?yàn)樗窃谶@個(gè)激光系統(tǒng)中限定激光調(diào)諧范圍和隨著時(shí)間變化激光穩(wěn)定輸出的關(guān)鍵光學(xué)器件。馬赫-曾德干涉儀的應(yīng)用方式如下。其中一個(gè)干涉儀的臂（大約10厘米）特意做的比另一個(gè)長(zhǎng)并且分成兩片，然后用熔接工具（愛立信FSU 975）對(duì)齊但不要交疊。摻Y(jié)b光纖在功率為30mW的發(fā)射泵浦下的熒光譜由美國(guó)光學(xué)協(xié)會(huì)（OSA）測(cè)定。摻Y(jié)b光纖在1030nm到1130nm范圍內(nèi)有較寬的熒光譜，在1063nm達(dá)到峰值。然后測(cè)量穿過光纖干涉儀的來自摻Y(jié)b光纖的熒光信號(hào)，如圖2所示，由透射峰譜的波長(zhǎng)間隔評(píng)價(jià)值，根據(jù)公式（3），我們可以估計(jì)路徑差L0。

10、如果估計(jì)的調(diào)諧范圍因?yàn)榭浯蟮亩阮A(yù)期的窄，應(yīng)該用一種在文獻(xiàn)（14）中提到的光纖劈開技術(shù)把額外的路徑差去掉。重復(fù)之前的過程直到獲得的滿足應(yīng)用要求，然后接合兩個(gè)臂的光纖末端來完成馬赫-曾德干涉儀的結(jié)構(gòu)。通過對(duì)馬赫-曾德干涉儀的短臂應(yīng)用張力來實(shí)現(xiàn)激光調(diào)諧。在目前的報(bào)告中，路徑差L0大約36m。在我們的實(shí)驗(yàn)中達(dá)到的調(diào)諧范圍大約21nm，從1050.3nm到1071.5nm，如圖3所示。這樣的一個(gè)調(diào)諧范圍與圖2（b）中展示的測(cè)量到的干涉儀的反應(yīng)透射峰值相一致。激光輸出特性是在980nm在泵浦光率為75mW的情況下研究的。激光帶寬測(cè)量為0.07nm如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)性噪比（SNR）要大于45dB。激光輸

11、出功率大約2.5mW，激光邊坡效率經(jīng)計(jì)算接近3.3%，這個(gè)估計(jì)值通過增加輸出耦合器的輸出比率并且優(yōu)化光纖長(zhǎng)度和泵浦光率可以在未來得到明顯提升。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中激光腔并不能去除實(shí)驗(yàn)環(huán)境的干擾，在實(shí)驗(yàn)中觀察到一些模式跳躍現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^把馬赫-曾德干涉儀放進(jìn)一個(gè)機(jī)械阻尼振蕩基去除空氣和機(jī)械震蕩來提高激光操作的穩(wěn)定性。通過把L減至10m水平而使調(diào)諧范圍延展至80nm變?yōu)榭赡?，但?duì)影響光纖激光器穩(wěn)定操作的環(huán)境噪音必須進(jìn)一步消除。最近報(bào)道的一種納米光纖馬赫-曾德干涉儀提供了一種更寬激光調(diào)諧范圍、穩(wěn)定激光操作的可能性，因?yàn)槠湓趦蓚€(gè)干涉儀臂較小的路徑差和其不受空氣噪音的影響。總之，一種新型的工作在1064nm持續(xù)

12、可調(diào)諧環(huán)形摻Y(jié)b光纖激光器得到發(fā)展，實(shí)現(xiàn)調(diào)諧波長(zhǎng)范圍達(dá)20nm。這種可調(diào)諧光纖激光器使用了一個(gè)光纖馬赫-曾德干涉儀作為其調(diào)諧構(gòu)件，可以很容易的指定激光操作在某一確定的波長(zhǎng)。本文分析了這種可調(diào)諧光纖激光器的工作原理，對(duì)通過改變光纖馬赫-曾德干涉儀的路徑差來獲得寬的調(diào)諧能力的技術(shù)也作了詳細(xì)敘述。通過實(shí)驗(yàn)論證得到激光波長(zhǎng)調(diào)諧范圍從1050.3nm到1071.5nm，而且這還可以通過減小干涉儀臂的路徑差及減輕環(huán)境噪音影響得到進(jìn)一步的拓展。激光輸出功率在整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)大于2mW，邊帶抑制率大于45dB，輸出激光帶寬小于0.1nm。參考書目：1 C. Alegria , Y. J eong , C. Co

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